论文部分内容阅读
深海是地球表面最后一块人类远未涉足的区域，蕴藏着丰富的资源，是人类社会谋求未来生存与发展的战略新疆域，也是当今大国竞争的焦点。然而从全球角度来看，海域广阔而资源受限，如何在广阔深邃的海洋水下环境实现如海面一般精确、快速、高效的观测，至今却是困扰科研人员的世界性难题之一。
2016年，《自然》杂志报道了一项研究成果，利用“海洋声学遥测”技术，研究人员成功在大陆架尺度实现了对水下信息精确实时成像，引起了世界海洋研究领域的广泛关注。这篇工作的作者正是如今浙江大学海洋学院研究员王德麟。而当年他还是一名到美国不到3年的在读博士生。
“我国作为海洋大国而非海洋强国，在强手环伺、竞争激烈的大环境下，只有依靠革命性的海洋新技术，方有可能真正实现海洋强国。我希望自己能在海洋观测领域，给国家海洋技术贡献一块砖。”多年来，王德麟致力于海洋信息观测技术研究，探索能够大范围、精准化的水下感知成像方法。对他而言，张开水下这只“眼睛”，就是他给国家“关心海洋、认识海洋、领略海洋”战略贡献的一块铺路石。
一个物理出身的水声博士
2005年，王德麟拿着自然科学兴趣的入场券，踏入南京大学物理学专业的大门。作为我国该领域最高水平的院校之一，南京大学物理学院帮助王德麟在打下扎实的物理基础的同时，也养成了以物理的视角去理解客观世界，以数学的思维去思考科学问题的习惯，并对他后来逐步形成严谨且富有逻辑的科研思维起到了重要的作用。硕士毕业后，为了继续深造，王德麟赴美国东北大学随Purnima R. Makris教授攻读电子工程博士学位。他选择了水声遥测技术作为自己下一阶段的研究方向，并同时追求将物理理论与工程实践相互结合。
国外的学习经历一开始并不顺利。学物理出身的王德麟需要更多的时间学习融入声学研究，同时水下声遥测本身已经发展超过了1个多世纪，在现有基础上发展新的突破性成果有很大的困难，另外水声作为相对敏感专业，对一个留学生提出了更高的要求。Makris曾教授提醒他，如果第二年还没有重要成果发表，建议他重新考虑课题甚至博士规划。
重压之下的王德麟并没有乱了方寸。“我选择水声的目的是实现物理与工程的融合，相信物理的思想是帮助我找到水声技术突破的关键。”他开始给自己的科研工作提速，积极和教授学习讨论，严格要求自己同时达到速度与质量的高标准，通宵达旦、废寝忘食成了他那时的家常便饭。两年的拼命没有白费，他基于海洋声学波导的物理模型，提出了主、被动结合的海洋声学波导遥测技术，利用海气和海底两个界面的阻抗不匹配形成声学波导，大大降低了声波传输损耗。进一步，他利用大功率垂直声源阵列与大孔径水平拖线阵组合成为海洋波导声学成像系统，基于各类物理及生物要素与声信号耦合模型，利用接收阵采集目标散射回波并根据目标与接收阵相对距离及角度制图反演形成海洋环境遥像，首次在大陆架尺度实现了多种海洋生物探测、识别，并对其分布成像，实时观测范围达30万平方公里以上。由于该工作对水下信息遥测技术发展具有的重要价值，王德麟在博士第三年以第一作者身份在世界顶尖科学杂志《自然》上发表了这项工作。那段经历让他进一步坚定了自己科工结合的科研理念。同时，科研路上的“丛林法则”也助他养成了时刻紧迫、事事尽善尽美的习惯。
深入探索水声遥测技术
第一篇高水平学术论文的发表给王德麟带来了信心与动力，却没有影响他继续探索的热情。读博士期间，他持续深入研究探索海洋声学波导广域声学遥测方法，還针对非等距排列水听器拖线阵，开发了能够有效提升角分辨率（2?3倍）及阵列增益（约4分贝）的优化波束成型算法，因该成果，王德麟曾受邀前往第174届美国声学年会进行特邀报告。最后一年，他又将目标转向水声接收阵研发。
“我给自己博士选的最后一个项目，是为我们的水下信息遥测成像技术，设计一套可靠的轻型水听器阵列。”谈到自己博士最后一段时间的工作，王德麟显得很兴奋，“一直以来制约我们的水下遥测技术得以应用的瓶颈之一就是声学采集设备，课题组使用的拖曳阵已经有20多年了，每次使用的维护成本愈来愈高，而实验效果却愈来愈差。我想针对我们研发的水下遥测成像技术，自己动手设计一套配套的轻型拖曳阵列，解决水下信息大范围实时感知的设备问题。”
王德麟和实验室同事们陆续克服了电路设计、流噪声优化、水密封装等一系列问题，采用聚氨酯封装，制成了8元的轻型水听器阵列原型，克服了油充阵列维护困难、可靠性低等缺点。水听器阵列的海试取得了不错的成果。自研的水听器列阵不仅具备良好的信号采集能力，其拖曳噪声、自噪声与角度分辨性能都达到了预期指标。美国国家自然科学基金NSF不久后基于该设计方案，启动了海洋被动声学监测系统研发项目，用以资助新型拖曳阵硬件与成像软件开发。
Purnima R. Makris教授对王德麟博士期间的工作给予了高度肯定。“他的博士工作十分丰富，从物理模型到算法设计，从程序开发到硬件研制，为海洋声学遥测系统发展提供了系统的贡献。他身上还透露着一种适者生存的丛林竞争意识，促使他一步步取得成功。”
结束博士学业后的王德麟又前往了美国麻省理工大学从事海洋工程方向的博士后研究工作。从博士到博士后，7年的海外研究经历，磨炼了他的科研态度，并且让他拥有了水声成像、海洋工程，以及电子信息等方向丰富的研究经验。
回国助力海洋强国建设
2019年，王德麟决定带着一身学识回国，加入浙江大学海洋学院，投入到国家“海洋强国”战略建设中。国家海洋事业的发展正值实力和速度的快速上升期，急需专业领域的相关人才。而对于准备一展抱负的王德麟来说，国家的发展战略正好为他注射了一针强心剂。
浙江大学海洋学院虽然从建院时间上看尚属年轻，但在研究方面一直以来都得到当地政府的大力支持，实验装备的性能质量在国内也是首屈一指，并且学院内对人才引进相当重视。“浙江大学海洋学院的活力让我看到了这里的机遇与潜力，通过与学院领导几次交流，我相信这里是我回国开展新工作的最佳平台。”2019年，王德麟加入了浙江大学海洋学院，开始结合数据挖掘与人工智能技术，开展声光电磁联合的水下立体遥测体系理论与技术研发，并致力于解决海洋声学遥测的工程应用困难问题。 他告诉记者：“我们的理想是在水下实现犹如陆地或海面上卫星观测一般的信息实时大范围高精度的感知能力。然而海域广阔而资源受限，‘透明海洋’受制于海-气界面天然屏障，相对于航空遥感和卫星遥感对海洋表面环境监测的成熟性，目前远未形成水上水下立体环境的大范围遥测体系能力。”基于大孔径水听器拖曳阵设备的海洋波导声学遥测成像技术能提供一种水下环境信息监测的新方法，虽然在实时观测范围与成像精度方面优于传统观测方式，然而该技术性能受大孔径拖曳阵设备制约，维护成本与部署难度均极大，难以进一步推广。同时，海洋中的多物种鱼类、海面海底、水下山脊、哺乳生物以及其他水下航行器都是声波的有效散射体，如何有效识别不同类型目标也都成为了困扰从事海洋信息感知研究人员的难题。
遇到问题就迎难直上，这是王德麟在博士时期面对压力时形成的观念，既然实验系统太大，那干脆就将其做成小型化的装备。他在国家自然科学基金项目“基于分布式小型水听器拖曳阵列的海洋环境声学遥测成像方法研究”中，提出了研究基于分布式小型水听器拖曳阵列的广域海洋环境实时声学成像方法。通过结合小型拖曳阵阵列增益与多基地融合成像的优势，解决单套大孔径拖曳阵部署与维护的困难，克服波束形成在阵列首尾端分辨率下降以及左右侧模糊性。同时，为了将研究做到尽善尽美，他还计划针对观测系统可搭载于无人船、波浪滑翔机等小型移动观测平台上的特点，研究针对特定区域海洋混响噪声抑制的最优化排布方法，最后基于观测成像数据，研发海洋鱼群与哺乳生物识别技术，并用于大范围海洋鱼类与哺乳生物储量调查与生物行为观测。
“想要真正在水下实现犹如陆地卫星般的观测能力，就必须解决观测设备与目标识别的问题。我希望能通过该研究，降低海洋波导声学成像应用难度，提高海洋环境遥测能力，为海洋环境观测与资源调查管理提供有效的工具。”王德麟语气笃定地说道。
规划心中海洋观测蓝图
如今，围绕心中规划的海洋观测蓝图，王德麟还在思考如何解决海洋信息观测过程中的数据传输瓶颈。目前使用的船载通信设备，其通信能力远未达到实时观测需求，通信带宽首先与通信链路的不稳定是一直以来限制海洋信息观测的重大瓶颈。“就好像梦回到了从前拨号上网的时期。”王德麟开玩笑地说道。
远洋通信问题不仅困扰着出海实验的科研人员，同样也影响着海洋工作人员的生命与财产安全，极大地限制了互联网 渔业的发展。王德麟回国后，和海洋电子所的同事们开展了“面向低轨卫星通信的船载宽带相控阵系统及其在星-海协同感知中的示范应用”项目，在开发基于自主芯片的低轨卫星通信的基础上，构建船载相控阵系统及星海协同精细遥感系统，并在湾区开展示范应用。王德麟希望通过该项目达到支撑广泛的智慧海洋应用的目的，在提高相关部門在海洋治理和管控、维护航运安全等方面的技术的同时，满足研究人员更高实时性、更丰富观测数据的需求。
此外，他的课题组还致力于将海洋声学遥测技术应用于海洋牧场生态环境与生物资源监测中，解决牧场监测自动化程度低、生态灾害预警能力薄弱等问题。王德麟在参与的国家重点研发计划“现代化海洋牧场高质量发展与生态安全保障技术”中，将海洋声学遥测技术与新型物联网技术结合，研发了面向牧场环境的渔业资源大范围声学遥测成像技术，实现了对浅海环境内大尺度鱼群密度分布信息的实时成像，并开展了成像系统设备的设计与集成。
目前，他的团队成员有两位浙江大学海洋工程与技术专业的硕士，并且他们都有海洋人工智能、信号通信及水声学方向的学科背景。对于这样的成员，王德麟很满意，他认为，学科交叉是未来关于海洋声学遥测研究的大趋势，而且也便于解决复杂系统的问题。除此之外，他的麾下还招收了两名具有水声学和光学研究背景的博士，希望能将光学的算法加入到海洋遥测分布式成像的研究中。
王德麟介绍这些的时候，心里已经对团队今后的发展路线有了清晰的轮廓。“我们未来肯定会继续从事分布式成像的研究，我们研发出的阵列协同方法不仅对于通信的压力相对较低，而且对于短期内的工程化落地也更容易实现，我希望它能够成为被大家广泛认同的研究方法之一。”当然，他的发展蓝图还不止这些。“我们还将开展更多能够解决地方实际问题的工作，将关于海洋牧场的研究成果应用到诸如渤海、东海等更多的海域，实现海洋牧场在宏观尺度上的鱼群储量监测。”在王德麟看来，这些是渔民当下正需要解决的问题。
王德麟告诉记者，看到自身研发的技术能真正支持国家“关心海洋、认识海洋、经略海洋”重大战略，转化为实实在在的经济与社会效益，是他从事科研最大的成就感来源。他希望在未来能够带领团队将水声技术发展到更深的海域，不只是1000米或者2000米，而是在4000米甚至1万米的深海沟进行环境遥测。“越深入地和海洋打交道，越发能理解它的浩瀚。想真正揭开这深邃而美丽的海洋的面纱是一个很长远的愿景，但我希望能用勤奋与探索的精神，陪伴祖国海洋发展，见证愿景的实现！”
2016年，《自然》杂志报道了一项研究成果，利用“海洋声学遥测”技术，研究人员成功在大陆架尺度实现了对水下信息精确实时成像，引起了世界海洋研究领域的广泛关注。这篇工作的作者正是如今浙江大学海洋学院研究员王德麟。而当年他还是一名到美国不到3年的在读博士生。
“我国作为海洋大国而非海洋强国，在强手环伺、竞争激烈的大环境下，只有依靠革命性的海洋新技术，方有可能真正实现海洋强国。我希望自己能在海洋观测领域，给国家海洋技术贡献一块砖。”多年来，王德麟致力于海洋信息观测技术研究，探索能够大范围、精准化的水下感知成像方法。对他而言，张开水下这只“眼睛”，就是他给国家“关心海洋、认识海洋、领略海洋”战略贡献的一块铺路石。
一个物理出身的水声博士
2005年，王德麟拿着自然科学兴趣的入场券，踏入南京大学物理学专业的大门。作为我国该领域最高水平的院校之一，南京大学物理学院帮助王德麟在打下扎实的物理基础的同时，也养成了以物理的视角去理解客观世界，以数学的思维去思考科学问题的习惯，并对他后来逐步形成严谨且富有逻辑的科研思维起到了重要的作用。硕士毕业后，为了继续深造，王德麟赴美国东北大学随Purnima R. Makris教授攻读电子工程博士学位。他选择了水声遥测技术作为自己下一阶段的研究方向，并同时追求将物理理论与工程实践相互结合。
国外的学习经历一开始并不顺利。学物理出身的王德麟需要更多的时间学习融入声学研究，同时水下声遥测本身已经发展超过了1个多世纪，在现有基础上发展新的突破性成果有很大的困难，另外水声作为相对敏感专业，对一个留学生提出了更高的要求。Makris曾教授提醒他，如果第二年还没有重要成果发表，建议他重新考虑课题甚至博士规划。
重压之下的王德麟并没有乱了方寸。“我选择水声的目的是实现物理与工程的融合，相信物理的思想是帮助我找到水声技术突破的关键。”他开始给自己的科研工作提速，积极和教授学习讨论，严格要求自己同时达到速度与质量的高标准，通宵达旦、废寝忘食成了他那时的家常便饭。两年的拼命没有白费，他基于海洋声学波导的物理模型，提出了主、被动结合的海洋声学波导遥测技术，利用海气和海底两个界面的阻抗不匹配形成声学波导，大大降低了声波传输损耗。进一步，他利用大功率垂直声源阵列与大孔径水平拖线阵组合成为海洋波导声学成像系统，基于各类物理及生物要素与声信号耦合模型，利用接收阵采集目标散射回波并根据目标与接收阵相对距离及角度制图反演形成海洋环境遥像，首次在大陆架尺度实现了多种海洋生物探测、识别，并对其分布成像，实时观测范围达30万平方公里以上。由于该工作对水下信息遥测技术发展具有的重要价值，王德麟在博士第三年以第一作者身份在世界顶尖科学杂志《自然》上发表了这项工作。那段经历让他进一步坚定了自己科工结合的科研理念。同时，科研路上的“丛林法则”也助他养成了时刻紧迫、事事尽善尽美的习惯。
深入探索水声遥测技术
第一篇高水平学术论文的发表给王德麟带来了信心与动力，却没有影响他继续探索的热情。读博士期间，他持续深入研究探索海洋声学波导广域声学遥测方法，還针对非等距排列水听器拖线阵，开发了能够有效提升角分辨率（2?3倍）及阵列增益（约4分贝）的优化波束成型算法，因该成果，王德麟曾受邀前往第174届美国声学年会进行特邀报告。最后一年，他又将目标转向水声接收阵研发。
“我给自己博士选的最后一个项目，是为我们的水下信息遥测成像技术，设计一套可靠的轻型水听器阵列。”谈到自己博士最后一段时间的工作，王德麟显得很兴奋，“一直以来制约我们的水下遥测技术得以应用的瓶颈之一就是声学采集设备，课题组使用的拖曳阵已经有20多年了，每次使用的维护成本愈来愈高，而实验效果却愈来愈差。我想针对我们研发的水下遥测成像技术，自己动手设计一套配套的轻型拖曳阵列，解决水下信息大范围实时感知的设备问题。”
王德麟和实验室同事们陆续克服了电路设计、流噪声优化、水密封装等一系列问题，采用聚氨酯封装，制成了8元的轻型水听器阵列原型，克服了油充阵列维护困难、可靠性低等缺点。水听器阵列的海试取得了不错的成果。自研的水听器列阵不仅具备良好的信号采集能力，其拖曳噪声、自噪声与角度分辨性能都达到了预期指标。美国国家自然科学基金NSF不久后基于该设计方案，启动了海洋被动声学监测系统研发项目，用以资助新型拖曳阵硬件与成像软件开发。
Purnima R. Makris教授对王德麟博士期间的工作给予了高度肯定。“他的博士工作十分丰富，从物理模型到算法设计，从程序开发到硬件研制，为海洋声学遥测系统发展提供了系统的贡献。他身上还透露着一种适者生存的丛林竞争意识，促使他一步步取得成功。”
结束博士学业后的王德麟又前往了美国麻省理工大学从事海洋工程方向的博士后研究工作。从博士到博士后，7年的海外研究经历，磨炼了他的科研态度，并且让他拥有了水声成像、海洋工程，以及电子信息等方向丰富的研究经验。
回国助力海洋强国建设
2019年，王德麟决定带着一身学识回国，加入浙江大学海洋学院，投入到国家“海洋强国”战略建设中。国家海洋事业的发展正值实力和速度的快速上升期，急需专业领域的相关人才。而对于准备一展抱负的王德麟来说，国家的发展战略正好为他注射了一针强心剂。
浙江大学海洋学院虽然从建院时间上看尚属年轻，但在研究方面一直以来都得到当地政府的大力支持，实验装备的性能质量在国内也是首屈一指，并且学院内对人才引进相当重视。“浙江大学海洋学院的活力让我看到了这里的机遇与潜力，通过与学院领导几次交流，我相信这里是我回国开展新工作的最佳平台。”2019年，王德麟加入了浙江大学海洋学院，开始结合数据挖掘与人工智能技术，开展声光电磁联合的水下立体遥测体系理论与技术研发，并致力于解决海洋声学遥测的工程应用困难问题。 他告诉记者：“我们的理想是在水下实现犹如陆地或海面上卫星观测一般的信息实时大范围高精度的感知能力。然而海域广阔而资源受限，‘透明海洋’受制于海-气界面天然屏障，相对于航空遥感和卫星遥感对海洋表面环境监测的成熟性，目前远未形成水上水下立体环境的大范围遥测体系能力。”基于大孔径水听器拖曳阵设备的海洋波导声学遥测成像技术能提供一种水下环境信息监测的新方法，虽然在实时观测范围与成像精度方面优于传统观测方式，然而该技术性能受大孔径拖曳阵设备制约，维护成本与部署难度均极大，难以进一步推广。同时，海洋中的多物种鱼类、海面海底、水下山脊、哺乳生物以及其他水下航行器都是声波的有效散射体，如何有效识别不同类型目标也都成为了困扰从事海洋信息感知研究人员的难题。
遇到问题就迎难直上，这是王德麟在博士时期面对压力时形成的观念，既然实验系统太大，那干脆就将其做成小型化的装备。他在国家自然科学基金项目“基于分布式小型水听器拖曳阵列的海洋环境声学遥测成像方法研究”中，提出了研究基于分布式小型水听器拖曳阵列的广域海洋环境实时声学成像方法。通过结合小型拖曳阵阵列增益与多基地融合成像的优势，解决单套大孔径拖曳阵部署与维护的困难，克服波束形成在阵列首尾端分辨率下降以及左右侧模糊性。同时，为了将研究做到尽善尽美，他还计划针对观测系统可搭载于无人船、波浪滑翔机等小型移动观测平台上的特点，研究针对特定区域海洋混响噪声抑制的最优化排布方法，最后基于观测成像数据，研发海洋鱼群与哺乳生物识别技术，并用于大范围海洋鱼类与哺乳生物储量调查与生物行为观测。
“想要真正在水下实现犹如陆地卫星般的观测能力，就必须解决观测设备与目标识别的问题。我希望能通过该研究，降低海洋波导声学成像应用难度，提高海洋环境遥测能力，为海洋环境观测与资源调查管理提供有效的工具。”王德麟语气笃定地说道。
规划心中海洋观测蓝图
如今，围绕心中规划的海洋观测蓝图，王德麟还在思考如何解决海洋信息观测过程中的数据传输瓶颈。目前使用的船载通信设备，其通信能力远未达到实时观测需求，通信带宽首先与通信链路的不稳定是一直以来限制海洋信息观测的重大瓶颈。“就好像梦回到了从前拨号上网的时期。”王德麟开玩笑地说道。
远洋通信问题不仅困扰着出海实验的科研人员，同样也影响着海洋工作人员的生命与财产安全，极大地限制了互联网 渔业的发展。王德麟回国后，和海洋电子所的同事们开展了“面向低轨卫星通信的船载宽带相控阵系统及其在星-海协同感知中的示范应用”项目，在开发基于自主芯片的低轨卫星通信的基础上，构建船载相控阵系统及星海协同精细遥感系统，并在湾区开展示范应用。王德麟希望通过该项目达到支撑广泛的智慧海洋应用的目的，在提高相关部門在海洋治理和管控、维护航运安全等方面的技术的同时，满足研究人员更高实时性、更丰富观测数据的需求。
此外，他的课题组还致力于将海洋声学遥测技术应用于海洋牧场生态环境与生物资源监测中，解决牧场监测自动化程度低、生态灾害预警能力薄弱等问题。王德麟在参与的国家重点研发计划“现代化海洋牧场高质量发展与生态安全保障技术”中，将海洋声学遥测技术与新型物联网技术结合，研发了面向牧场环境的渔业资源大范围声学遥测成像技术，实现了对浅海环境内大尺度鱼群密度分布信息的实时成像，并开展了成像系统设备的设计与集成。
目前，他的团队成员有两位浙江大学海洋工程与技术专业的硕士，并且他们都有海洋人工智能、信号通信及水声学方向的学科背景。对于这样的成员，王德麟很满意，他认为，学科交叉是未来关于海洋声学遥测研究的大趋势，而且也便于解决复杂系统的问题。除此之外，他的麾下还招收了两名具有水声学和光学研究背景的博士，希望能将光学的算法加入到海洋遥测分布式成像的研究中。
王德麟介绍这些的时候，心里已经对团队今后的发展路线有了清晰的轮廓。“我们未来肯定会继续从事分布式成像的研究，我们研发出的阵列协同方法不仅对于通信的压力相对较低，而且对于短期内的工程化落地也更容易实现，我希望它能够成为被大家广泛认同的研究方法之一。”当然，他的发展蓝图还不止这些。“我们还将开展更多能够解决地方实际问题的工作，将关于海洋牧场的研究成果应用到诸如渤海、东海等更多的海域，实现海洋牧场在宏观尺度上的鱼群储量监测。”在王德麟看来，这些是渔民当下正需要解决的问题。
王德麟告诉记者，看到自身研发的技术能真正支持国家“关心海洋、认识海洋、经略海洋”重大战略，转化为实实在在的经济与社会效益，是他从事科研最大的成就感来源。他希望在未来能够带领团队将水声技术发展到更深的海域，不只是1000米或者2000米，而是在4000米甚至1万米的深海沟进行环境遥测。“越深入地和海洋打交道，越发能理解它的浩瀚。想真正揭开这深邃而美丽的海洋的面纱是一个很长远的愿景，但我希望能用勤奋与探索的精神，陪伴祖国海洋发展，见证愿景的实现！”